В статье рассмотрены два варианта реализации мультиплексора 74x151 — на транзисторно-транзисторной логике ТТЛ 74LS151 и комплементарных МОП-структурах КМОП 74НС151. Проведено моделирование мультиплексоров в среде PSPICE, сравнение их быстродействия и помехоустойчивости, сделаны выводы о возможности применения той или иной реализации.
Two versions of multiplexer 74x151 implementation have been considered in the article: TTL 74LS151 based on transistor-transistor logic and CMOS 74HC151 based on CMOS-logic. TTL- and CMOS-logic simulation has been realized within the PSPICE environment. Response time and noise immunity for the two versions have been compared. Feasibility of the two methods of implementation has been discussed.
ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП-структуры) представляют собой два наиболее распространённых семейства логических элементов.
Существует множество семейств ТТЛ, различающихся быстродействием, потребляемой мощностью и другими характеристиками. Стандартные ТТЛ-схемы в настоящее время не находят применения из-за недостаточно высокого быстродействия, обусловленного насыщением транзисторов. Транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (ТТЛШ) серии 74LS отличается высоким быстродействием и является наиболее распространённым типом ТТЛ-схем.
На рис. 1 (а) представлено схемное обозначение биполярного транзистора с включением диода Шоттки параллельно переходу коллектор-база. При открытом транзисторе благодаря обратной связи по напряжению диод Шоттки не позволяет напряжению коллектор-база упасть ниже 0,3 В.
На рис. 1 (б) показан элемент ТТЛ 2И-НЕ с диодом Шоттки 74LS00, в котором номиналы резисторов в пять раз превышают соответствующие номиналы в схеме стандартного элемента ТТЛ, благодаря чему потребляемая мощность снижается во столько же раз и составляет всего 2 мВт [1].
Рис. 1. Транзистор с диодом Шоттки (a); элемент ТТЛШ 2И-НЕ 74LS00 (Т3 — транзистор Дарлингтона) (б)
На рис. 2 представлена передаточная характеристика ТТЛШ-инвертора. Допустимые области рабочих напряжений для логического нуля и единицы заштрихованы.
Рис. 2. Передаточная характеристика ТТЛШ-инвертора
Семейство логических КМОП-схем отличается низкими требованиями к электропитанию. Схемы КМОП-инвертора и КМОП-элемента И-НЕ приведены на рис. 3 (a) и (б) соответственно. Характерно, что в этих схемах используются исключительно МОП-транзисторы.
Рис. 3. КМОП-инвертор (a); КМОП-элемент И-НЕ (б)
На рис. 4 представлена передаточная характеристика КМОП-инвертора. Допустимые области рабочих напряжений для логического нуля и единицы заштрихованы, штриховой линией показано изменение тока. В стационарном режиме ток через схему практически не протекает.
Рис. 4. Передаточная характеристика КМОП-инвертора
В настоящей работе на основе результатов моделирования мультиплексоров ТТЛШ 74LS- и КМОП 74HC-серий проведено сравнение таких характеристик, как быстродействие и помехоустойчивость.
1 Выбор среды моделирования.
В качестве среды моделирования была выбрана программа PSPICE, позволяющая имитировать работу сложных электронных схем и получать результаты, точность которых в большинстве случаев оказывается выше точности данных, полученных в лабораторных условиях, поскольку указанная программа не допускает погрешностей измерений [2].
2 Описание мультиплексора 74x151.
На рис. 5 представлен стандартный восьмивходовый мультиплексор 74x151, где входы D0…D7 — информационные; A, B, C — управляющие; EN — разрешения выхода; Y и Y_L — прямой и инверсный выходы. Данная схема существует как в ТТЛШ-исполнении (74LS151), так и КМОП-исполнении (74HC151) [3].
Рис. 5. Мультиплексор восьмивходовый 74x151: принципиальная схема (a); условное обозначение (б); таблица истинности (в)
Будем считать максимальным уровнем логического нуля напряжение Uвх0max = 0,8 В, минимальным уровнем логической единицы — напряжение Uвх1min = 2,4 В.
В процессе моделирования будет использоваться активно-емкостная нагрузка, заданная тремя резисторами R1=7,5 кОм, R2=l,5 кОм, R3=910 Ом и двумя транзисторами с характеристиками, представленными в таблице 1.
Таблица 1
Характеристики элементов схемы моделирования
|
Параметр |
Q1 |
Q2 |
|
Ток насыщения, A |
6,5·10–15 |
6,5·10–15 |
|
Статический коэффициент передачи тока H21э, б/р |
100 |
100 |
|
Сопротивление эмиттера, Ом |
2,5 |
2,5 |
|
Сопротивление базы, Ом |
800 |
150 |
|
Сопротивление коллектора, Ом |
200 |
180 |
|
Ёмкость коллектор-подложка, пФ |
5 |
3,5 |
|
Ёмкость эмиттерного перехода, пФ |
1,5 |
1,5 |
|
Ёмкость коллекторного перехода, пФ |
2,5 |
2,0 |
3 Моделирование ТТЛШ-мультиплексора 74LS151.
3.1. Определение средней задержки переключения.
Установим на входе D1 напряжение логической единицы, на остальных информационных входах — напряжение логического нуля. На управляющий вход А подадим прямоугольный импульс напряжения; входы В и С соединим с землёй. Импульс нарастает от 0 В до 2,5 В с фронтом нарастания 1 нс, фронтом спада 1 нс, длительностью 500 нс, периодом 3000 нс. Схема моделирования представлена на рис. 6 (a).
Рис. 6. Схема моделирования для определения быстродействиямультиплексора 74LS151 (a); сигнал на выходе схемы 74LS151 (б, сверху) при подаче на вход прямоугольного импульса (б, снизу)
Таким образом, на входе D0 имеем уровень «0», на входе D1 — уровень «1». При низком уровне сигнала на управляющем входе А на выходе присутствует информационный сигнал D0 (Y=D0=0), при высоком уровне — информационный сигнал D1 (Y=D1=1). Исследуем поведение схемы при переключении из режима Y=D0=0 в режим Y=D1=1.
Результаты моделирования представлены на рис. 6 (б).
Определим среднюю задержку распространения сигнала в микросхеме 74LS151 
, которая определяется как полусумма задержек 
и 
и служит усреднённым параметром быстродействия, используемым при расчёте временных характеристик многоэлементных последовательно включенных логических схем [4]:
3.2. Определение статической помехоустойчивости.
На управляющий вход А подадим треугольный импульс напряжения; управляющие входы В и С соединим с землёй. Импульс нарастает в течение 200 нс от уровня 0 В до 2,5 В и в течение 200 нс падает до нуля. Схема моделирования представлена на рис. 7 (a).
Рис. 7. Схема моделирования для определения помехоустойчивости мультиплексора74LS151 (a); сигнал на выходе схемы 74LS151 (б, сверху) при подаче на вход треугольного импульса напряжения (б, снизу)
Результаты моделирования представлены на рис. 7 (б). По поведению выхода схемы можно сделать вывод о наличии гистерезиса, т. е. различных ответных реакций схемы на участках переднего и заднего фронта воздействующего импульса напряжения.
Для получения передаточной характеристики схемы отложим на оси х значения входного напряжения 
изменяющегося от 0 В до 2,5 В и обратно (рис. 8).
Рис. 8. Петля гистерезиса на передаточной характеристике схемы 74LS151
Значения параметров статической помехоустойчивости определяются по уровням логического нуля (
) и единицы (
). Эти параметры показывают значения напряжения, которые можно подать на вход схемы относительно уровня «0» или «1», не вызывая её ложного срабатывания. Параметр определяется как разность минимального напряжения логической «1» на входе (Uвх1min) и порогового напряжения 
. Аналогично, параметр определяется как разность порогового напряжения 
и максимального напряжения логического «0» на входе (Uвх0min) [4].
Согласно данным моделирования 
.
Учитывая, что Uвх0max = 0,8 В, Uвх1min = 2,4 В, получаем:
;
.
Ширина петли гистерезиса составляет 
.
4 Моделирование КМОП-мультиплексора 74HC151.
4.1. Определение средней задержки переключения.
Исследуем поведение схемы при переключении из режима Y=D0=0 в режим Y=D1=1. Установим на входе D1 напряжение логической единицы, на остальных информационных входах — напряжение логического нуля. На управляющий вход А подадим прямоугольный импульс напряжения; входы В и С соединим с землёй. Импульс нарастает от 0 В до 2,5 В с фронтом нарастания 1 нс, фронтом спада 1 нс, длительностью 500 нс, периодом 3000 нс. Схема моделирования представлена на рис. 9 (a), результаты моделирования — на рис. 9 (б).
Рис. 9. Схема моделирования для определения быстродействия схемы 74НС151 (a); сигнал на выходе схемы 74HC151(б, сверху) при подаче на вход прямоугольного импульса напряжения (б, снизу)
Определим среднюю задержку распространения сигнала:
4.2. Определение статической помехоустойчивости.
На управляющий вход А подадим треугольный импульс напряжения; входы В и С соединим с землёй. Импульс напряжения нарастает в течение 200 нс от уровня 0 В до 2,5 В и в течение 200 нс падает до нуля. Схема моделирования представлена на рис. 10 (a), результаты моделирования — на рис. 10 (б). Схема 74НС151 также обладает гистерезисом.
Рис. 10. Схема моделирования для определения помехоустойчивости схемы 74LS151 (a); сигнал на выходе схемы 74НС151 (б, сверху) при подаче на вход треугольного импульса напряжения (б, снизу)
Для получения передаточной характеристики схемы отложим по оси х значения входного напряжения
изменяющегося от 0 В до 2,5 В и обратно (рис. 11).
Рис. 11. Петля гистерезиса на передаточной характеристике схемы 74НС151
Согласно полученным данным 
Учитывая, что Uвх0max = 0,8 В, Uвх1min = 2,4 В, получаем:
;
.
Ширина петли гистерезиса составляет 
.
Заключение.
Моделирование схем 74LS151 и 74НС151 в среде PSPICE показало, что мультиплексор, реализованный на транзисторно-транзисторной логике с диодами Шоттки, в исследуемом режиме не уступает по помехоустойчивости мультиплексору, реализованному на КМОП-логике. Как и ожидалось, ТТЛШ-схема превосходит по быстродействию КМОП-схему на 26,2% ввиду высокой паразитной ёмкости изолированного затвора МОП-транзистора (для мультиплексора 74LS151 
, для мультиплексора 75НС151 
). Следует отметить, что КМОП-микросхемы серии 74НС могут работать при уровне электропитания ниже 5 В, что улучшает их быстродействие. Таким образом, мультиплексоры серии 74LS следует использовать при повышенных требованиях к быстродействию и некритичности величины потребляемой мощности.
Литература:
- Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. В 2-х т. — Т. 1. — М.: Додэка-ХХ1, 2008. — 832 с.
- Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSPICE. — М.: ДМК Пресс, 2008. — 336 с.
- Уэйкерли Д. Проектирование цифровых устройств. В 2-х т. — Т. 1 — М.: Постмаркет Москва, 2002. — 1088 с.
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Бином, 2016. — 704 с.
